Sicherer Nachweis von Aroma und Frischegrad - Gerstel GmbH ...

GERSTEL Aktuell Applikation
Die Qualität eines Getränks hängt entscheidend von zwei
Faktoren ab: Aroma und Geschmack. Die Qualitätssicherung in
deutschen Brauereien konzentriert sich folglich nicht alleine auf die
Einhaltung des Reinheitsgebots von 1516, demzufolge Bier nur Gerste,
Hopfen und Wasser enthalten darf. Augenmerk liegt vor allem auch auf
der Gaumenfreude der Konsumenten. Mit anderen Worten: Das Bier
muss schmecken.
Qualitätssicherung in der Getränkeindustrie
Sicherer Nachweis von
Aroma und Frischegrad
Autoren
Foto: GfÖ
Dr. Bita Kolahgar und
Dr. Arnd C. Heiden
GERSTEL GmbH & Co. KG
- Applikation -
Aktienstr. 232 -234
D-45473 Mülheim an der Ruhr
E-Mail: bita_kolahgar@gerstel.de
arnd_heiden@gerstel.de
Ob dem Konsumenten ein Getränk
schmeckt oder nicht, darüber gibt
nur die tatsächliche Verkostung
Auskunft. Nichtsdestotrotz lassen sich
wichtige Aussagen bereits im Verlauf von
Herstellung und Lagerung treffen – und
zwar mit Hilfe instrumenteller analytischer
Mittel. Für die Analyse von Aromastoffen
verschiedener Biersorten wird eine neue
Technik vorgestellt. Sie basiert auf dem
GERSTEL-SPME-ChemSensor-System.
Material
Untersucht wurden fünf unterschiedliche,
in einem örtlichen Einzelhandelsgeschäft
gekaufte deutsche Pilsbiere. Die
Analyse erstreckte sich auch darauf, Flaschen-
und Dosenbier der gleichen Sorte
zu unterscheiden.
Die chemometrische Software Pirouette
(Infometrix) diente zur Hauptkomponentenanalyse
(PCA). Die ChemSensor-
Software wurde verwendet, um die GC/
MS-Daten in eine Pirouette-kompatible
Form zu überführen.
Abbildung 1: PCA-Score-Plot der Fingerprint-
Massenspektra der 6 Bierproben.
Probenvorbereitung
Jede Bierprobe wurde zehnmal in Aliquoten
von 5 mL in 10-mL-Headspace-
Vials mit Krimpverschluß analysiert; vor
der SPME-Probenahme wurden sie 2 min
lang bei 45 °C temperiert. Die SPME-
Headspace-Extraktion erfolgte mit einer
75 µm Carboxen/PDMS-Faser innerhalb
von 15 min bei 45 °C, die Einführung der
Probe in den GC-Injektor bei 220 °C innerhalb
von 3 min.
Für ein weiteres Experiment wurden
Bierproben in offene, durchsichtige Glasflaschen
gefüllt und im Labor dem Sonnenlicht
ausgesetzt. Von allen Biersorten
wurden nach jeweils 3 und 6 Tagen Proben
genommen und mit dem ChemSensor-System
analysiert; die Vorgehensweise
diente dazu, den Alterungsprozess von
Bier zu simulieren und die Einsatzmöglichkeiten
des ChemSensors zu testen.
Ergebnis und Diskussion
Die Projektion der sechs Proben in
den dreidimensionalen Raum eines PCA-
Score-Plots (3 Faktoren) ist in Abb. 1 wiedergegeben.
98 – 99 % der Datenvariabilität
werden durch die ersten 3 Faktoren
(PC) beschrieben, wobei Faktor 1 bereits
über 80 % der Datenvariabilität beschreibt.
Wie ersichtlich, lassen sich mit
dem Modell alle fünf Biersorten unterscheiden.
Die beiden Probenarten von
Bier 1 und 3 (Dose und Flasche der gleichen
Marke) gruppieren sich zusammen.
Die GC/MS-Total-Ion-Chromatogramme
der sechs Proben ähneln einander. Es
erweist sich als schwierig, die Proben nur
mittels GC/MS-Analyse der Aromakomponenten
zu unterscheiden, abgesehen
vom großen zeitlichen Aufwand, den die
chromatographische Trennung erfordert.
In unserer Untersuchung dauerte die
Trennung 41 Minuten. Bei Verwendung
des Systems im ChemSensor-Betrieb (die
GC-Säule wird isotherm gehalten) wird
der Probendurchsatz durch die SPME-
Probenahmezeit bestimmt. Sie betrug 17
Minuten: 2 Minuten lang wurde temperiert,
15 Minuten extrahiert. Die MS-Analyse
dauerte etwa 4 Minuten und verlief
während der SPME-Probenahme der
nächsten Probe.
Instrumentierung
Zur Messung verwendet wurde das
GERSTEL-SPME-ChemSensor-System
bestehend aus:
• GERSTEL-MultiPurposeSampler MPS 2
mit SPME-Option
• SPME-Faser: 75 µm Carboxen/PDMS
• GC 6890 (Agilent Technologies)
Säule: DB-Wax, 30 m x 0,25 m x 0,25 µm,
GC-Ofentemperatur: 40 °C (1 min) –
5 °C/min – 300 °C (8 min)
• GERSTEL-KaltAufgabeSystem KAS 4
Modus: Split (220 °C, Splitverhältnis 5:1)
EPC-Pneumatik: Constant-Flow-Modus
(1mL/min)
• MS 5973 N (Agilent Technologies)
Modus: Scan (45 – 300 amu, 5,46 Scans/s)
GERSTEL Aktuell 31 – Dezember 2003 / Januar 2004
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GERSTEL Aktuell Applikation
Abbildung 2: PCA-Score-Plot
(3 Faktoren) der Massenspektren
von frisch geöffnetem und 3 bzw.
6 Tage altem Bier.
Abbildung 3: GC-MS-Total-Ion-
Chromatogramme von frisch
geöffnetem und 3 bzw. 6 Tage
altem Bier. Die Peakidentifizierung
erbrachte:
1 = Ethylacetat,
2 = Ethanol,
3 = 1-Butanol-3-Methylacetat,
4 = Ethylcaproat,
5 und 6 = 2 Isomere von
Octansäure-Ethylester,
7 = Decansäure-Ethylester,
8 = Essigsäure,
9 = Phenylethylalkohol,
10 = Octansäure.
Der größte Vorteil des ChemSensor-
Systems in Kombination mit der SPME: die
schnelle Trennung innerhalb der Probenahmezeit.
Da die Probenausgleichszeit
mit dem MPS 2 überlagert ausgeführt werden
kann, wird der Probendurchsatz nur
durch die SPME-Extraktionszeit bestimmt.
Die Massenspektren der Proben können
als ihre Fingerprints verwendet werden.
Die Massenspektren der verschiedenen
Biersorten zeigen Unterschiede
in den Häufigkeiten einiger
Ionen, vor allem m/z: 55, 61, 70,
88, 91 und 104. Die extrahierten
Chromatogramme der Ionen geben
Hinweise auf die Bestandteile,
die für die Unterschiede in den
verschiedenen Proben verantwortlich
sind. Die Bestandteile sind:
Ethylacetat (m/z: 61), 1-Butanol-3-
Methylacetat (m/z: 70), Ethylcaproat
(m/z: 55), Octansäure-Ethylester (m/z: 88),
Decansäure-Ethylester (m/z: 88), Essigsäure-2-Phenylethylester
(m/z: 104) und
Phenylethylalkohol (m/z: 91).
Projiziert man die Massenspektren eines
frisch geöffneten beziehungsweise 3
und 6 Tage alten Pilsbieres in den Raum
der ersten 3 Faktoren (PCA-Score-Plot/
Abb. 2) zeigt sich, über 90 % der Variabilität
liegt innerhalb der ersten 3 PC. Mit anderen
Worten: Differenzen in den Scores
ergeben Unterschiede in der Aromastoffzusammensetzung
der Proben. Das heißt:
Eine Änderung der Zusammensetzung,
folglich des Biergeschmacks, lässt sich in
dem hier gewählten Zeitraum von 3 und 6
Tagen mit Hilfe des ChemSensors sicher
feststellen
Abbildung 3 zeigt die Chromatogramme
eines frisch geöffneten beziehungsweise
3 und 6 Tage alten Pilsbieres. Veränderungen
der Aromabestandteile zeigen
sich auch in der Peakintensität, etwa bei
1-Butanol-3-Methylacetat, Ethylcaproat
und den Isomeren des Octanoidsäure-
Ethylesters (Peak 3, 4, 5 und 6).
Fazit
Mit Hilfe des GERSTEL-SPME-Chem-
Sensor-Systems in Verbindung mit chemometrischen
PCA-Modellen und der Fingerprint-Massenspektren
war es möglich,
verschiedene Biersorten zu klassifizieren
und die Auswirkung einer simulierten Alterung
zu beobachten. Die chromatographische
Trennung der Proben ermöglichte die
Identifizierung der Bestandteile, die zur
Unterscheidung der Proben herangezogen
wurden.
Ausblick
Das GERSTEL-SPME-ChemSensor-
System lässt sich zur Klassifizierung und
für die Qualitätskontrolle bei Nahrungsmittel-
und Aromaanalysen verwenden. Das
System ist flexibel und erlaubt die Nutzung
der Komponenten für den konventionellen
GC/MS- und ChemSensor-Betrieb.
Größter Vorteil beim Arbeiten mit dem
System als ChemSensor: die Einsparung
der Zeit für die GC-Trennung bei Routine-
Analysen. Die Trennung der Analyten kann
durch Temperaturprogrammierung der
GC-Säule erfolgen, wenn Ausreißer festgestellt
werden.
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Coupon GA 31 / SPME-ChemSensor (9-11)
Das GERSTEL-
ChemSensor-System
Die Haupteinsatzgebiete chemischer Sensoren liegen in der
Qualitätskontrolle. Wegen der relativ großen Zahl täglich zu
analysierender Proben ist es oft nicht möglich, alle Proben mit klassischen
Methoden zu untersuchen, etwa mittels GC/MS. In Verbindung mit einer
chemometrischen Datenanalyse liefert das GERSTEL-ChemSensor-System
schnell und sicher Aussagen über die Qualität der untersuchten Probe. Das
hier verwendete System bestand aus einem Headspace- beziehungsweise
SPME-Probengeber (GERSTEL-MPS 2) und einem GC/MS-System (Agilent
Technologies 6890/5973N). Es ist flexibel und lässt sich sowohl für GC/MSals
auch für reine ChemSensor-Anwendungen einsetzen.
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